点火装置和点火系统制造方法及图纸

本发明专利技术公开了一种用于产生电晕放电以点燃内燃机中空气/燃料混合物的方法。提供具有突出到燃烧区内的放电头的点火器。在燃烧过程的第一阶段期间，RF变压器的第一初级绕组先于所述燃烧过程的发生驱动于第一预定电压电平和基于所述燃烧区中的第一阻抗的第一谐振频率，用以在所述点火器的放电头生成电晕放电。在继所述第一阶段之后的第二阶段期间，所述RF变压器的第二初级绕组在继所述燃烧过程的发生之后的时刻驱动于第二预定电压电平和基于所述燃烧区中的第二阻抗的第二谐振频率。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及用于产生和维持电晕放电以点燃例如内燃机或燃气涡轮机中的空 气-燃料混合物的系统和方法。
技术介绍
通常使用传统的火花点火系统来引发燃烧在例如内燃机("ICE")或燃气涡轮机中 的空气-燃料混合物。首先在空气-燃料混合物中产生电弧放电，将空气-燃料混合物的 周围区域加热至极其高的温度，导致电子从它们的原子核逃脱，从而产生相对小范围的高 度电离的气体。随后燃烧反应（S)开始于电离气体的这一小范围内。在适当的条件下，放 热燃烧反应加热电离气体的小范围周边区域的空气-燃料混合物，以引起进一步的电离和 燃烧。这一连锁反应过程首先在ICE或燃气涡轮机的燃烧室中引起火焰中心，然后由火焰 头继续移动穿过燃烧室，直至空气-燃料混合物燃烧。 在传统的火花点火系统中，当高电压直流电势施加到燃烧室中隔开的两个电极 时，产生电弧放电。电极之间形成有相对短的间隙，从而高电压电势使电极之间逐渐出现强 电场。该强电场促使电极之间的气体出现介电击穿。当自然存在于空气-燃料气体中的种 子电子（seed electrons)被强电场加速到高能级时，介电击穿开始。更具体地，种子电子 被加速到这样的高能级，使得当其与空气-燃料气体中的另一电子碰撞时，其敲击该另一 电子脱离原子核，结果得到两个较低能级的自由电子和离子。这两个较低能级的自由电子 随后由电场依次加速到高能级，并且它们也和空气-燃料气体中的其它自由电子相碰撞。 这种连锁反应导致电子雪崩，从而使得电极之间的大部分空气-燃料气体被电离成携带组 成粒子（即离子和电子）的电荷。由于如此大部分的空气-燃料气体被电离，气体不再具有 介电性能，而是作为导体，因此被称为等离子体。高电流通过电离的空气-燃料气体的细且 亮得耀眼的柱状物（即电弧）从一个电极传递到另一个电极，直至点火系统中逐渐获得的电 荷被耗散。因为气体经历了完整的介电击穿，所以当高电流流过时，电极之间存在低电压电 势。这种高电流使得电弧周边的空气-燃料气体被急剧加热一高达30000° F。这一热量 使空气-燃料混合物的电离维持足够长时间以引发燃烧。 遗憾的是，传统的火花点火系统有许多缺点和局限性。在ICE中，火花点火系统的 电极通常是伸入燃烧室的火花塞的一部分。点火期间由电弧产生的极热将随着时间推移而 损坏电极。而且，由于传统的火花点火系统依赖于产生热量来电离空气-燃料混合物，所 以，其最大能量输出受限于电极能够维持的热量。此外，最近的趋势是通过增大空气/燃料 比，或者通过增加排气再循环（EGR)的程度，来稀释空气-燃料燃烧混合物，从而系统能够 工作于更高的压缩比和更大的负荷，并实现更清洁和更高效的燃烧。可惜，所增加的稀释程 度使传统的火花点火系统出现了与点火和火焰传播相关的问题。因此，需要一个更坚稳的 点火系统。 另一种方法是通过电晕放电来点燃ICE或气体涡轮机的燃烧室中的空气-燃料混 合物。在这种系统中，具有由绝缘体支撑的中心电极的点火器被用作反电极，其和包裹绝 缘体的外部导体、或者和处于接地电势的燃烧室壁一起形成电容器。包裹中心电极的绝缘 体连同燃烧室及其内容物一起充当电介质。如此形成的电容器是电气振荡电路的一个组 件，该电气振荡电路利用由例如升压变压器产生的高频电压激发。变压器和切换装置相互 作用，该切换装置向变压器的初级绕组施加可指定的直流电压，变压器在次级绕组中产生 正弦交流电流波形。变压器的次级绕组供电给具有由中心电极和燃烧室各壁形成的电容器 的串联振荡电路。激励振荡电路的交流电压的频率的控制为，使该频率尽可能地接近振荡 电路的谐振频率。其结果是点火电极和点火电极设置于其中的燃烧室的各壁之间的电压增 高。在这些情况下，燃烧室中可以产生电晕放电。 可惜，在点火后且在燃烧期间，燃烧区中产生的自由基会导致燃烧区的电容以及 系统谐振频率发生变化。因此，为了达到最佳的点火效果以及防止电弧出现，必须在点火过 程中控制电晕的形成。已知的用于控制电晕形成以及防止电弧出现的方法涉及将工作频率 改变为偏离谐振频率，以使得点火电极上的高电压降低，从而避免进一步出现电弧。从而， 可以降低施加于初级绕组的电压，然后工作频率可以返回至谐振频率以提高效率。但是这 种方法复杂且效率低下。 提供一种电晕点火系统及相关方法，以克服至少一些上述缺点以及已知系统的局 限性，这将是有益的。
技术实现思路
根据本专利技术的至少一种实施例的一个方面，提供一种用于产生电晕放电以点燃内 燃机中空气/燃料混合物的点火装置，其包括：金属管式外壳；由绝缘材料制造并牢固地固 定于所述金属管式外壳的燃烧端的绝缘元件；缠绕在支持件上并设置于所述金属管式外壳 内的线圈；设置于所述线圈和所述金属管式外壳之间的填充材料；和高电压电极排列，其 包括：具有连接到所述线圈以接收来自所述线圈的电压的第一端的第一电极，所述第一电 极至少部分延伸穿过所述绝缘元件；和具有从所述绝缘元件的燃烧侧面突出的第一端和嵌 入于所述绝缘元件内的第二端的至少一个第二电极，所述至少一个第二电极的第二端通过 所述绝缘材料与所述第一电极隔开，并用于与所述第一电极电容性耦合以接收来自所述第 一电极的驱动信号，所述至少一个第二电极用于支持来自其中的电晕放电。 根据本专利技术的至少一种实施例的一个方面，提供一种用于产生电晕放电以点燃在 内燃机中空气/燃料混合物的点火系统，包括：射频（RF)变压器，包括具有高压侧和低压侧 的次级绕组以及包括多个初级绕组；多个功率驱动电路，每个功率驱动电路耦合到所述多 个初级绕组的不同的初级绕组；点火装置，其耦合到所述次级绕组的高压侧，并具有高电压 电极排列，用于接收来自所述次级绕组的放大电压，以及用于产生电晕放电，所述点火装置 为振荡电路的一部分，所述振荡电路具有在燃烧周期的不同阶段期间变化的谐振频率；信 号发生器，用于在所述燃烧周期的分别不同的阶段为所述多个功率驱动电路的不同功率驱 动电路提供不同的指令信号，以使得不同的初级绕组被用于在所述燃烧周期各自的阶段的 谐振频率上产生不同的高电压振幅；和反馈子系统，用于检测所述点火装置的电场和/或 电磁场的变化，用于基于所检测的电流和所述内燃机的工况之间已确定的相互关系，改变 提供给所述多个驱动电路的不同驱动电路的不同指令信号。 根据本专利技术的至少一个实施例的一个方面，提供一种用于产生电晕放电以点燃内 燃机中空气/燃料混合物的方法，包括：提供具有突出到燃烧区内的放电头的点火器；在燃 烧过程的第一阶段期间，将RF变压器的第一初级绕组先于所述燃烧过程的发生驱动于第 一预定电压电平和基于所述燃烧区中的第一阻抗的第一谐振频率，用以在所述点火器的放 电头生成电晕放电；和在所述燃烧过程的继所述第一阶段之后的第二阶段期间，所述RF变 压器的第二初级绕组在继所述燃烧过程的发生之后的时刻驱动于第二预定电压电平和基 于所述燃烧区中的第二阻抗的第二谐振频率。 根据本专利技术的至少一个实施例的一个方面，提供一种用于控制电晕放电以点燃内 燃机中空气/燃料混合物的方法，包括：提供耦合到具有至少一个初级绕组的RF变压器的 次级绕组的高压侧的点火器；在燃烧过程的第一阶段期间，所述至少一个初级绕组之至少 一者驱动于第一电压电平和第一谐振频率；在所述燃烧过程的第一本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种用于产生电晕放电以点燃内燃机中空气/燃料混合物的点火装置，包括：金属管式外壳；由绝缘材料制造并牢固地固定于所述金属管式外壳的燃烧端的绝缘元件；缠绕在支持件上并设置于所述金属管式外壳内的线圈；设置于所述线圈和所述金属管式外壳之间的填充材料；和高电压电极排列，其包括：具有连接到所述线圈以接收来自所述线圈的电压的第一端的第一电极，所述第一电极至少部分延伸穿过所述绝缘元件；和具有从所述绝缘元件的燃烧侧面突出的第一端和嵌入于所述绝缘元件内的第二端的至少一个第二电极，所述至少一个第二电极的第二端通过所述绝缘材料与所述第一电极隔开，并用于与所述第一电极电容性耦合以接收来自所述第一电极的驱动信号，所述至少一个第二电极用于支持来自其中的电晕放电。

【技术特征摘要】
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【专利技术属性】
技术研发人员：明·郑，水·于，美平·王，
申请(专利权)人：明·郑，水·于，美平·王，
类型：发明
国别省市：加拿大;CA